基于籠型異步電機的螺旋槳負(fù)載模擬研究

張敬南 叢望

(哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引言

為了使所設(shè)計的船舶推進(jìn)系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)的要求，結(jié)合螺旋槳模擬裝置對推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行演示驗證是必不可少的[1]-[4]。螺旋槳模擬裝置必須能真實地模擬實際工況下螺旋槳的特性才能對推進(jìn)系統(tǒng)起到有效的檢驗。直流電機構(gòu)建了螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬系統(tǒng)為推進(jìn)系統(tǒng)提供螺旋槳負(fù)載模擬轉(zhuǎn)矩取得了很好的效果[5,6]。但是考慮到直流電機自身缺點，在大容量螺旋槳負(fù)載的模擬方面受到了限制。而現(xiàn)代電力電子技術(shù)及交流電機變頻控制技術(shù)的迅速發(fā)展，基于交流電機變頻控制技術(shù)來實現(xiàn)大容量螺旋槳負(fù)載模擬技術(shù)的研究成為可能。作者基于三相籠型異步電機進(jìn)行螺旋槳負(fù)載模擬的研究，對三相籠型異步電機的轉(zhuǎn)矩矢量控制策略進(jìn)行了研究，構(gòu)建了基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的三相異步電機的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。結(jié)合螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下進(jìn)行了螺旋槳典型工況的仿真研究，探討了采用三相籠型異步電動機進(jìn)行船舶螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬的可行性。

1 異步電機轉(zhuǎn)矩矢量控制

1.1 基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電機數(shù)學(xué)模型

實現(xiàn)矢量控制的基本思想是通過坐標(biāo)變換獲得等效的直流電機模型，從而實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈的分別控制，分別獲得轉(zhuǎn)矩分量和磁鏈分量的控制值，然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中的控制量反變換得到三相坐標(biāo)系的對應(yīng)量，以獲得實際系統(tǒng)的控制參數(shù)。矢量控制采用基于mt旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系下的異步電動機數(shù)學(xué)模型[7]。設(shè)定m軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶?Ψr的方向，t 軸與矢量 Ψr正交。mt旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系籠型異步電機狀態(tài)方程為

轉(zhuǎn)差角速度

坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度

角位移θ與坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系為

由于 ψr的方向定義為 m 軸，故 ψr=ψmr，且 ψtr=0。電磁轉(zhuǎn)矩為

1.2 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制策略

圖1 異步電機轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制策略框圖

基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向?qū)崿F(xiàn)了異步電機的矢量解耦，為磁場和轉(zhuǎn)矩的控制提供了方便，基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電機轉(zhuǎn)矩和磁場閉環(huán)矢量控制策略的原理框圖如圖1所示。轉(zhuǎn)矩控制環(huán)和磁鏈控制環(huán)均采用了具有電流閉環(huán)控制的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式。圖中，ATR為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出是電流轉(zhuǎn)矩分量給定值；AΨR為磁鏈調(diào)節(jié)器，輸出是電流勵磁分量給定值；ACTR為定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器；ACMR為定子電流勵磁分量調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制的作用是將檢測到的電流進(jìn)行3/2轉(zhuǎn)換，得到mt坐標(biāo)系中的電流ism和ist分別與給定值作比較，并設(shè)計調(diào)節(jié)器構(gòu)成電流閉環(huán)，電流調(diào)節(jié)器的輸出是mt坐標(biāo)系下定子電壓的給定值，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變化獲得靜止兩相坐標(biāo)系的定子電壓值，再通過控制逆變器獲得輸出三相電壓。

異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈的檢測基于 mt坐標(biāo)系的電流與磁鏈關(guān)系確定，即根據(jù)式（1）中第三式和式（2）~式（4）來確定轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和空間位置。

2 螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模型

螺旋槳推進(jìn)器的作用是把原動機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)橛靡钥朔斑\動水阻力的推力，推進(jìn)器通過把水推向反方向而得到船舶前進(jìn)的運動。根據(jù)螺旋槳的工作原理[8]，定義螺旋槳的進(jìn)速為螺旋槳相對于水的軸向前進(jìn)速度為

式中，Us為在船速，單位m/s；w為伴流系數(shù)，是考慮船在水中航行時產(chǎn)生對螺旋槳的伴流影響而引入的系數(shù)。

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定義進(jìn)速比修正值'J為

式中： Dp為螺旋槳的槳徑，單位為m；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速，單位為rps。

其軸向推力P和阻轉(zhuǎn)矩Mp可表示為

式中：ρ為海水密度，單位為 kg.s2/m4；Kp，Km分別為螺旋槳的推力系數(shù)和阻轉(zhuǎn)矩系數(shù)。相應(yīng)的推力系數(shù)和阻轉(zhuǎn)矩系數(shù)也變?yōu)樾拚?，對?yīng)曲線和曲線

根據(jù)式（9），螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小與船舶的航行速度是有關(guān)的。當(dāng)只考慮船舶的直航運動時，船舶運動方程為

式中：m為船體質(zhì)量；k為附連水系數(shù)；Rf直航運動船舶所受阻力；t為推力減額系數(shù)，是考慮螺旋槳工作時使船體總阻力增加而引入的系數(shù)。

綜上，可得到船舶直航推進(jìn)時考慮船槳相互作用的螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算框圖如圖2所示。

圖2 螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算框圖

為了突出螺旋槳負(fù)載模擬技術(shù)的研究重點，圖譜采用典型曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，重點研究船舶起航及反轉(zhuǎn)過程中螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩所體現(xiàn)的起航特性和反轉(zhuǎn)特性。

3 螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬裝置仿真

基于圖2所示控制原理框圖構(gòu)建螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬系統(tǒng)的仿真程序。

螺旋槳負(fù)載模擬系統(tǒng)采用的模擬電機為異步發(fā)電機：額定功率160 kW，額定電壓400 V（Y接），額定電流331 A，頻率30 Hz，額定轉(zhuǎn)速444 rpm。定子繞組電阻 0.0138 Ω，轉(zhuǎn)子繞組電阻0.00773 Ω，定、子漏電感0.152 mH，激磁電感7.69 mH。螺旋槳推進(jìn)裝置采用基于轉(zhuǎn)速矢量控制的異步電動機推進(jìn)系統(tǒng)，本文不作介紹。推進(jìn)系統(tǒng)及螺旋槳的轉(zhuǎn)動慣量1972 kg?m2。結(jié)合螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)起動及反轉(zhuǎn)過程進(jìn)行螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬裝置的仿真，仿真曲線如圖3和圖4所示。

圖2 考慮船槳相互作用的螺旋槳轉(zhuǎn)矩模型

圖3 轉(zhuǎn)速與模擬負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線

圖4 螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬過程中的電流與磁鏈

根據(jù)圖3所示，在螺旋槳起動及反轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)矩負(fù)載模擬電機正確的模擬出負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況，恰當(dāng)?shù)倪x擇調(diào)節(jié)其參數(shù)，可以獲得較好的轉(zhuǎn)矩跟隨性能，轉(zhuǎn)矩震蕩也較小。根據(jù)圖3（d）螺旋槳負(fù)載反轉(zhuǎn)特性的模擬中，反轉(zhuǎn)特性從第一象限（推進(jìn)系統(tǒng)正向電動機狀態(tài)）到第四象限（推進(jìn)系統(tǒng)回饋制動狀態(tài)），以及第四象限到第三象限（推進(jìn)系統(tǒng)反向電動狀態(tài)）的過渡平滑，沒有發(fā)生反復(fù)的震蕩現(xiàn)象。

根據(jù)圖4所示，m軸電流、t軸電流體現(xiàn)了正確的變化形式，定子電流的勵磁分量（m軸）建立磁場后，受擾動波動較小，磁鏈波形較為穩(wěn)定，如圖4（d）所示。當(dāng)負(fù)載模擬電機被拖動正向旋轉(zhuǎn)時，負(fù)載模擬電機提供制動轉(zhuǎn)矩時，t軸電流小于0；減速過程中，推進(jìn)系統(tǒng)出現(xiàn)了回饋制動，負(fù)載模擬電機提供驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，t軸電流大于0；當(dāng)轉(zhuǎn)速過零且反向旋轉(zhuǎn)時，負(fù)載模擬電機提供制動轉(zhuǎn)矩，但是根據(jù)圖4（c）所示，此時負(fù)載模擬電機三相電流相序反向，即負(fù)載模擬電機的旋轉(zhuǎn)磁場方向反向，所以t軸電流依然保持大于0的狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過采用鼠籠式異步電機的轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩負(fù)載的模擬，結(jié)合船舶螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩負(fù)載模擬的仿真研究，仿真曲線正確且滿足特性要求，驗證了基于轉(zhuǎn)矩矢量控制的籠型異步電機進(jìn)行螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬的可行性。

本文研究所采用的轉(zhuǎn)矩矢量控制的思想基于電動機速度調(diào)節(jié)矢量控制的思想，控制算法和控制器設(shè)計簡單；磁鏈閉環(huán)和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)均采用雙閉環(huán)形式，通過引入的電流內(nèi)環(huán)，實現(xiàn)了限幅保護(hù)并加快了跟隨性能。

本文研究成果可以為大功率轉(zhuǎn)矩負(fù)載模擬的實現(xiàn)提供了理論依據(jù)和設(shè)計方案，有助于大功率船舶陸上聯(lián)調(diào)實驗室的建設(shè)及其他機械負(fù)載模擬系統(tǒng)的構(gòu)建。

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